【光照】[PBR][几何遮蔽]实现方法对比

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几何遮蔽的基本流程

几何遮蔽(G)在BRDF中用于模拟微表面间的自阴影和遮蔽效应，其计算流程通常分为三个步骤：

• ‌遮蔽项计算‌：光线入射方向的遮挡概率
  
• ‌阴影项计算‌：视线方向的遮挡概率
  
• ‌联合计算‌：将两者结合形成完整的几何函数
  

主要几何遮蔽模型

1. Cook-Torrance模型

‌原理‌：

• 基于V形微槽假设
  
• 使用简单的min函数计算遮蔽和阴影
  

‌公式‌：
$G_{Cook-Torrance}=min⁡(1,\frac{2(n⋅h)(n⋅v)}{v⋅h},\frac{2(n⋅h)(n⋅l)}{v⋅h})$
‌特点‌：

• 计算简单但不够精确
  
• 在掠射角表现不佳
  

2. Smith模型

‌原理‌：

• 将几何项分解为独立的遮蔽和阴影项
  
• 假设微表面高度服从统计分布
  

‌公式‌：
$G_{Smith}=G_1(v)⋅G_1(l)$
‌Unity URP选择‌：

1. hlsl
2. // URP中Smith联合Schlick-GGX实现
3. float V_SmithGGX(float NdotL, float NdotV, float roughness)
4. {
5.     float a = roughness;
6.     float a2 = a * a;
8.     float GGXV = NdotL * sqrt(NdotV * NdotV * (1.0 - a2) + a2);
9.     float GGXL = NdotV * sqrt(NdotL * NdotL * (1.0 - a2) + a2);
11.     return 0.5 / max((GGXV + GGXL), 0.000001);
12. }

复制代码

‌选择原因‌：

• 与GGX法线分布完美匹配
  
• 能量守恒性更好
  
• 计算效率较高
  

3. Schlick近似模型

‌原理‌：

• 对Smith模型的快速近似
  
• 使用有理函数替代复杂计算
  

‌公式‌：
$G_{Schlick}(n,v)=\frac{n⋅v}{(n⋅v)(1−k)+k},k=\frac{(α+1)^2}8$
‌特点‌：

• 适合移动端等性能受限平台
  
• 精度略低于完整Smith模型
  

4. Kelemen-Szirmay-Kalos模型

‌原理‌：

• 基于微表面斜率分布
  
• 特别适合各向异性材质
  

‌公式‌：
$G_{KSK}=\frac1{1+Λ(v)+Λ(l)}$
‌应用场景‌：

• 头发、织物等特殊材质渲染
  

Unity URP的实现方案

选择方案：Smith-Joint-Schlick-GGX

‌实现代码‌：

1. hlsl
2. // Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/BRDF.hlsl
3. float V_SmithJointGGX(float NdotL, float NdotV, float roughness)
4. {
5.     float a2 = roughness * roughness;
6.     float lambdaV = NdotL * (NdotV * (1.0 - a2) + a2);
7.     float lambdaL = NdotV * (NdotL * (1.0 - a2) + a2);
9.     return 0.5 / (lambdaV + lambdaL + 1e-5f);
10. }

复制代码

‌选择原因‌：

• ‌物理准确性‌：
  
  
  
  • 与GGX NDF保持数学一致性
    
  • 满足能量守恒和互易性
    
  
  
• ‌视觉质量‌：
  
  
  
  • 在掠射角产生自然的阴影衰减
    
  • 粗糙材质表现更真实
    
  
  
• ‌性能平衡‌：
  
  
  
  • 相比完整Smith模型减少30%计算量
    
  • 移动端友好(无复杂数学函数)
    
  
  
• ‌材质一致性‌：
  
  
  
  • 与金属/粗糙度工作流完美配合
    
  • 参数响应线性度好
    
  
  

优化技术

• ‌预计算部分项‌：
  1. hlsl
  2. // 预计算粗糙度平方
  3. float a2 = roughness * roughness;

  复制代码
• ‌数值稳定性处理‌：
  1. hlsl
  2. // 避免除零错误
  3. return 0.5 / (lambdaV + lambdaL + 1e-5f);

  复制代码
• ‌移动端简化版‌：
  1. hlsl
  2. #if defined(SHADER_API_MOBILE)
  3.     float V_SmithMobile(float NdotL, float NdotV, float roughness)
  4.     {
  5.         float a = roughness;
  6.         float GGXV = NdotL * (NdotV * (1.0 - a) + a);
  7.         float GGXL = NdotV * (NdotL * (1.0 - a) + a);
  8.         return 0.5 / (GGXV + GGXL);
  9.     }
  10. #endif

  复制代码

各模型性能对比

模型指令数特殊函数移动端适用性视觉质量Cook-Torrance8无★★★★☆★★☆☆☆Smith完整版15+sqrt★★☆☆☆★★★★☆Smith-Schlick10无★★★★☆★★★☆☆URP实现12sqrt★★★☆☆★★★★☆Kelemen18+复杂运算★☆☆☆☆★★★★★Unity URP的选择在视觉质量和计算开销之间取得了最佳平衡，特别是考虑到现代GPU的架构特性(SIMD执行)，即使包含sqrt运算也不会造成显著性能瓶颈。

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